DE10227850A1 - Circuit element, useful as memory, comprises a monomolecular layer of redox-active bis-pyridinium molecules situated between conductive layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Schaltungselement mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch isolierenden Substratmaterial, Verfahren zur Herstellung eines Schaltungselements, Bispyridinium-Verbindungen sowie deren Verwendung in Schaltungselementen.The invention relates to a circuit element with a first layer of an electrically insulating substrate material, Method of manufacturing a circuit element, bispyridinium compounds and their use in circuit elements.
Die herkömmliche auf Silizium-Komponenten wie beispielsweise CMOS-Chips (CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor), basierende Mikroelektronik, wird auch bei weiter fortschreitender Miniaturisierung an ihre Grenzen kommen. Als einer der möglichen Wege zur weiteren Verkleinerung von Bauelementen wird die Molekularelektronik diskutiert.The conventional one on silicon components such as CMOS chips (CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor), based microelectronics, is also becoming more progressive Miniaturization reaching its limits. As one of the possible Molecular electronics is becoming a way of further downsizing components discussed.
Neben der allgemeinen Problemstellung, Schaltungselemente mit Hilfe der Molekularelektronik zu entwickeln, ist ein weiterer in diesem Zusammenhang betrachteter Aspekt, die Entwicklung von Alternativen zu den bisherigen Halbleiter-Speicherelemente wie DRAMs (Dynamische Schreib-Lese-Speicher), SRAMs (Statische Schreib-Lese-Speicher) oder Flash-Speichern.In addition to the general problem, To develop circuit elements with the help of molecular electronics, is another aspect considered in this context, the Development of alternatives to the previous semiconductor memory elements such as DRAMs (dynamic random access memories), SRAMs (static random access memories) or flash memory.
Aus [1] ist bekannt, das mit Hilfe von monomolekularen auf Rotaxanen basierenden Schichten konfigurierbare Schaltungselemente erhalten werden können, die zur Konstruktion von Logikgattern eingesetzt werden können. Grundlage hierfür ist, dass die monomolekularen Schichten der Rotaxane von einem leitfähigen in einen weniger leitfähigen durch Anlegen einer Spannung gebracht, d.h. „geschaltet", werden können. Allerdings ist dieser aus [1] bekannte Schaltvorgang irreversibel und somit für eine Write once/ mulitple Read Anwendung geeignet.From [1] it is known that with the help configurable from monomolecular layers based on rotaxanes Circuit elements can be obtained for construction of logic gates can be used. The basis for this is that the monomolecular layers of rotaxanes from a conductive in a less conductive brought by applying a voltage, i.e. Can be "switched". However this switching process known from [1] is irreversible and thus for one Write once / mulitple read application suitable.
Aus [2] ist bekannt, dass mit Hilfe einer weiteren speziellen Molekülklasse, den sogenannten Catenanen, ein reversibler Schaltvorgang erreicht werden kann. Allerdings werden bei diesem Schaltvorgang deutlich geringe Signale beobachtet.From [2] it is known that with the help another special class of molecules, the so-called catenanes, a reversible switching process can be. However, this switching process will be significantly smaller Signals observed.
Die beiden aus [1) und [2] bekannten Schaltungselemente weisen jedoch noch weitere Nachteile für eine breite praktische Anwendung auf. Zum einen sind Rotaxane und Catenane nur durch aufwändige Synthesen erhältlich. Zum anderen werden bei beiden Schaltungselementen zur Erzeugung der monomolekularen Schichten Langmuir-Blodgett-Verfahren angewendet. Darüber hinaus ist die Eignung dieser Langmuir-Blodgett-Verfahren für die Beschichtung von Oberflächen von Bauelementen wie Siliziumwafer, die üblicherweise zur Herstellung elektrischer Bauelemente dienen, noch ungewiss.The two known from [1) and [2] Circuit elements, however, have other disadvantages for a wide range practical application. For one, rotaxanes and catenanes are only through elaborate Syntheses available. On the other hand, both circuit elements are used for generation of the monomolecular layers Langmuir-Blodgett method applied. About that In addition, the suitability of these Langmuir-Blodgett processes for coating surfaces of Components such as silicon wafers that are commonly used in manufacturing serve electrical components, still uncertain.
Neben den eben diskutierten Ansätzen zur Entwicklung von Schaltungselementen auf Basis von organischen Molekülschichten ist aus [3] bekannt, dass sich durch die spezielle Kombination eines Moleküls mit einer Bispyridinium-Einheit und einem Nanoteilchen (Metall-Cluster) aus Gold ein elektrischer Schalter verwirklichen lässt. Da die Nanotechnologie sich noch in den Anfängen befindet, ist fraglich, ob dieses System in absehbarer Zeit für eine praktische Anwendung eingesetzt werden kann.In addition to the approaches to Development of circuit elements based on organic molecular layers is known from [3] that the special combination of a molecule with a bispyridinium unit and a nanoparticle (metal cluster) made of gold is an electrical one Switch can be realized. Since nanotechnology is still in its infancy, it is questionable whether this system in the foreseeable future for practical use can be used.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, alternative elektrische Schaltungselemente sowie Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.The invention is based on the problem alternative electrical circuit elements and methods for their To provide manufacturing.
Das Problem wird durch das Schaltungselement sowie das Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The problem is caused by the circuit element as well as the method with the features according to the independent claims.
Ein solches Schaltungselement ist ein Schaltungselement mit einer ersten Schicht aus einem elektrisch isolierenden Substratmaterial und mit einem ersten elektrisch leitfähigen Material. Dieses erste elektrisch leitfähige Material ist als mindestens ein diskreter Bereich dergestalt ausgebildet, das er in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist.Such a circuit element is a circuit element with a first layer of an electrical insulating substrate material and with a first electrically conductive material. This first electrically conductive Material is designed as at least one discrete area, that it is embedded in the substrate material and / or on the substrate material is applied.
Das Schaltungselement weist weiterhin eine zweite Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf und eine monomolekularen Schicht aus redox-aktiven Bispyridinium-Molekülen, die zwischen der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial und der zweiten Schicht mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist. Dabei sind die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht auf dem elektrisch leitfähigen als mindestens ein diskreter Bereich ausgebildeten Material immobilisiert. Dabei stehen die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht ferner mit dem zweiten elektrischen Material der zweiten Schicht in elektrischen Kontakt.The circuit element also has a second layer with a second electrically conductive material on and a monomolecular layer of redox-active bispyridinium molecules that between the first layer of the electrically insulating substrate material and the second layer with the second electrically conductive material is arranged. The bispyridinium molecules are the monomolecular ones Layer on the electrically conductive immobilized as at least one discrete area formed material. The bispyridinium molecules are in the monomolecular layer further with the second electrical material of the second layer in electrical contact.
Ferner sind bei dem Schaltungselement auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial elektrisch inerte Moleküle immobilisiert, die eine Matrix ausbilden, die den mindestens einen diskreten Bereich mit den monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt.Furthermore, the circuit element on the first layer of the electrically insulating substrate material electrically inert molecules immobilized, which form a matrix, the at least one discrete area with the monomolecular layer of bispyridinium molecules surrounds.
Unter einem redox-aktiven Bispyridinium-Molekül oder eine
redox-aktiven Bispyridinium-Verbindung wird hier eine chemische
Verbindung verstanden, die reversibel Elektronen aufnehmen und abgegeben
kann, d.h. chemisch gesprochen, ihren Oxidationszustand durch Reduktion
und Oxidation ändern
kann, und wobei eine Bispyridinium-Einheit (vgl.
Generell lässt sich in einem hier beschriebenen Schaltungselement als funktionelle Einheit jede Verbindung mit einer oder mehreren Bispyridinium-Einheiten einsetzen, die die beiden oben beschriebenen Oxidationszustände reversibel durchlaufen kann.In general, any Ver can be used as a functional unit in a circuit element described here use bond with one or more bispyridinium units, which can reverse the two oxidation states described above.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind diese Bispyridinium-Moleküle
Verbindungen der allgemeinen Formel (I)
wobei in Formel (I)
eines
oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden aromatischen Ringssysteme
der Bispyridinium-Einheit unabhängig
voneinander durch (mindestens) eine Gruppierung Xa bzw.
Xb ersetzt sein kann, die jeweils für ein Heteroatom
steht, das aus S, N und O ausgewählt
wird, oder für
eine Leerstelle steht (d.h. wodurch ein 5-Ring erzeugt wird)
eines
oder mehrere der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils
unabhängig
voneinander einen Substituenten Ra bzw.
Rb aufweisen kann, der jeweils unabhängig für Alkyl,
Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkinyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH,
COOR', CONHR', NO2,
OH, OR', NH2, NHR',
NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander
Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder
wobei
Ra und Rb zusammen
eine Verbrückung
zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bilden kann, die 1
bis 3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S,
N und O ausgewählt
werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander verknüpft sein
können
und ferner einen Substituenten Rc aufweisen
können,
wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb oben angegebene
Bedeutung hat,
Y für
eine Gruppe steht, die unabhängig
voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH,
C=C oder Aryl ausgewählt
werden kann,
Za und Zb unabhängig voneinander
jeweils CH3, -CH=CH2,
SH, -S-S-, -S(CO)-CH3, SiCl3,
Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2,
Si(R'R'')NH2, COOH,
SO3, PO3H, oder
NH2 sein kann, wobei R' und R" jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl,
Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann,
wobei n, q jeweils
unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
j
und k jeweils unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können,
p
und m jeweils unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können.In a preferred embodiment, these bispyridinium molecules are compounds of the general formula (I)
where in formula (I)
one or more of the carbon atoms of the two aromatic ring systems of the bispyridinium unit can be replaced independently of one another by (at least) one group X a or X b , each of which represents a hetero atom selected from S, N and O, or for there is an empty space (ie creating a 5-ring)
one or more of the carbon atoms of the two ring systems can each independently have a substituent R a or R b , each of which is independently for alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkynyl, halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR ', CONHR ', NO 2 , OH, OR', NH 2 , NHR ', NR'R'', SH and SR', where R 'and R''can independently be alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or alkynyl, or
where R a and R b together can form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and by a single, double or triple bond with one another may be linked and may also have a substituent R c , where the substituent R c has the meaning given above for R a and R b ,
Y represents a group which can be selected independently of one another from CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl,
Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS-, -S (CO) -CH 3 , SiCl 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') (OR'' ), SiR (OR ') 2 , Si (R'R'') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 , where R' and R "are each independently alkyl, aryl, arylalkyl, Can be alkenyl or alkynyl,
where n, q can independently assume a value between 0 and 12,
j and k can each independently have a value between 0 and 6,
p and m can each independently assume a value between 0 and 12.
Dabei sind Verbindungen bevorzugt, bei denen die am Stickstoffatom des jeweiligen Ringes gebundene Kette jeweils nicht mehr als insgesamt als 20 Atome aufweist. Dabei sind wiederum Verbindungen bevorzugt, bei denen insgesamt beide Ketten zusammen eine Gesamtlänge von mehr als 30 Atomen aufweisen. Mit Hilfe der Indices ausgedrückt, bedeutet dies, dass (j·q + p) bzw. (k·n + m) vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander einen Wert (ganze Zahl) nicht größer als 20 annehmen sind. Die Summe aus (j·q + p) + (k·n + m) ist dabei vorzugsweise somit nicht größer als 30. Der Klarheit halber sei hier betont, dass die Gruppe Z nicht bei dieser Betrachtung der Kettenlänge der beiden an den N-Atomen gebunden Substituenten berücksichtigt ist (vgl. die weiter unten folgenden detaillierte Definition von Z).Connections are preferred in which the bonded to the nitrogen atom of the respective ring Chain has no more than 20 atoms in total. there Again, compounds are preferred in which both are combined Chains together a total length of more than 30 atoms. Expressed using the indices means this that (j · q + p) or (k · n + m) preferably each independently a value (integer) not greater than 20 are assumed. The sum of (jq + p) + (kn + m) is preferably not larger than 30. For the sake of clarity it should be emphasized here that group Z is not considered in this way the chain length of the two substituents attached to the N atoms is taken into account (see the detailed definition of Z below).
Da die hier verwendeten Bispyridinium-Verbindungen generell in kationischer Form vorliegen, werden die Bispyridinium-Verbindungen in Form ihrer geeigneten Salze eingesetzt. Als Gegen-Ion eignen sich z.B. das Hydroxid-Anion (OH–), die Anionen der Halogenide, insbesondere Br– und Cl–, Anionen organischer Säuren wie Acetat oder komplexe Anionen wie das PF6 –-Anion, oder andere komplexe Anionen wie die Anionen starker Säuren wie NO3 –, ClO4 –, oder SO4 2–. Weitere Beispiele für geeignete Anionen sind komplexe Anionen wie BF4 –, CF3SO3 – (Triflat), B(Ph)4 – oder komplexe Metall-Anionen wie [PtC14]2–.Since the bispyridinium compounds used here are generally in cationic form, the bispyridinium compounds are used in the form of their suitable salts. Suitable counter-ions are, for example, the hydroxide anion (OH - ), the anions of the halides, in particular Br - and Cl - , anions of organic acids such as acetate or complex anions such as the PF 6 - anion, or other complex anions such as that Anions of strong acids such as NO 3 - , ClO 4 - , or SO 4 2– . Further examples of suitable anions are complex anions such as BF 4 - , CF 3 SO 3 - (triflate), B (Ph) 4 - or complex metal anions such as [PtC1 4 ] 2– .
Alkylgruppen können den hier beschriebenen Verbindungen von Formel (I) oder (II) geradkettig oder verzweigt, substituiert oder unsubstituiert sein. Dies trifft auch zu, wenn sie in anderen Gruppen vorkommen, z.B. in Alkoxy, Alkylmercapto, Alkoxycarbonylgruppen. Bevorzugt sind Alkylgruppen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen und besonders bevorzugt sind Alkylgruppen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere in den Verbindungen gemäß Formel (I). Der Begriff Alkyl umfasst ferner Cycloalkylgruppen mit 3 bis 8 Ringkohlenstoffatomen, die ebenfalls substituiert oder unsubstituiert sein können.Alkyl groups can be those described here Compounds of formula (I) or (II) straight-chain or branched, be substituted or unsubstituted. This also applies if they occur in other groups, e.g. in alkoxy, alkylmercapto, Alkoxycarbonyl groups. Alkyl groups with 1 to 12 are preferred Carbon atoms and particularly preferred are alkyl groups with 1 to 8 carbon atoms, especially in the compounds of the formula (I). The term alkyl also includes cycloalkyl groups with 3 to 8 ring carbon atoms, which are also substituted or unsubstituted could be.
Alkenyl und Alkinylgruppen in den Verbindungen von Formel (I) oder (II) können ebenfalls geradkettig oder verzweigt, substituiert oder unsubstituiert sein. Dies trifft auch zu, wenn sie in anderen Gruppen vorkommen, z.B. in Alkoxy, Alkylmercapto, Alkoxycarbonylgruppen. Bevorzugt sind Alkenyl- oder Alkinylgruppen mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen und besonders bevorzugt sind Alkenyl- oder Alkinylgruppen mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere in den Verbindungen gemäß Formel (I). Der Begriff Alkenyl umfasst ferner Cycloalkyenylgruppen mit 3 bis 8 Ringkohlenstoffatomen, die ebenfalls substituiert oder unsubstituiert sein können.Alkenyl and alkynyl groups in the Compounds of formula (I) or (II) can also be straight chain or be branched, substituted or unsubstituted. This is also true if they occur in other groups, e.g. in alkoxy, alkylmercapto, Alkoxycarbonyl groups. Alkenyl or alkynyl groups having 2 to 12 carbon atoms are preferred and particularly preferred are alkenyl or alkynyl groups with 2 up to 8 carbon atoms, especially in the compounds of the formula (I). The term alkenyl also includes cycloalkyenyl groups 3 to 8 ring carbon atoms, which are also substituted or unsubstituted could be.
Ein hier bevorzugter Substituent der Alkyl- Alkenyl oder Alkinylgruppen ist Halogen, d.h. Fluor, Chlor, Brom oder Iod, wobei Fluor besonders bevorzugt wird.A preferred substituent here the alkyl alkenyl or alkynyl group is halogen, i.e. Fluorine, Chlorine, bromine or iodine, with fluorine being particularly preferred.
Wenn Ra und
Rb zusammen eine Verbrückung zwischen den beiden Ringssystemen
der Verbindungen gemäß Formel
(I) bilden, sei an dieser Stelle betont, dass in diesem Fall eine
HC=CH Gruppe eine bevorzugte Alkenylgruppe darstellt, die vorzugsweise
eine Verbrückung
zwischen den Ringatomen 2 und 9 und/oder 4 und 5 bildet. Somit gehören annelierte
aromatische Systeme wie 2,7-Diazaphenanthren (im Fall von nur einer
Verbrückung)
oder 2,7-Diazapyrenium (im Fall von zwei Verbrückungen) zu den hier bevorzugt
eingesetzten Bispyridinium-Grundgerüsten (vgl.
Die Bedeutung von Aryl in den Verbindungen gemäß Formel (I) schließt substituierte und unsubstituierte carbocyclische aromatische Gruppen wie Phenyl, Naphthyl, Anthracyl sowie heterocyclische aromatische Gruppen wie N-Imidazolyl, 2-Imidazolyl, 2-Thienyl, 3-Thienyl, 2-Furanyl, 3-Furanyl, 2-Pyridyl, 3-Pyridyl, 4-Pyridyl, 2-Pyrimidyl, 4-Pyrimidyl, 2-Pyranyl, 3-Pyranyl, 4-Pyranyl, 3-Pyrazolyl, 4-Pyrazolyl, 5-Pyrazolyl, 2-Pyrazinyl, 2-Thiazolyl, 4-Thiazolyl, 5-Thiazolyl, 2-Oxazolyl, 4-Oxazolyl and 5-Oxazolyl ein. Ar beinhaltet ebenfalls annellierte polycyclische aromatische Ringsysteme wie Chinolin oder 9H-Thioxanthene-10,10-dioxid, bei denen ein carbocyclischer aromatischer Ring mit einem oder mehreren heterocyclischen Ringen kondensiert ist.The importance of aryl in the compounds according to formula (I) closes substituted and unsubstituted carbocyclic aromatic groups such as phenyl, naphthyl, anthracyl and heterocyclic aromatic groups such as N-imidazolyl, 2-imidazolyl, 2-thienyl, 3-thienyl, 2-furanyl, 3-furanyl, 2-pyridyl, 3-pyridyl, 4-pyridyl, 2-pyrimidyl, 4-pyrimidyl, 2-pyranyl, 3-pyranyl, 4-pyranyl, 3-pyrazolyl, 4-pyrazolyl, 5-pyrazolyl, 2-pyrazinyl, 2-thiazolyl, 4-thiazolyl, 5-thiazolyl, 2-oxazolyl, 4-oxazolyl and 5-oxazolyl. Ar also includes fused polycyclic aromatic ring systems such as quinoline or 9H-Thioxanthene-10,10-dioxide, which is a carbocyclic aromatic Ring condensed with one or more heterocyclic rings is.
Die vorliegende Erfindung betrifft
ferner auch neue Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel
(Ib)
wobei in Formel (Ib)
(mindestens)
eine Gruppierung Xa bzw. Xb ersetzt
sein kann, die jeweils für
ein Heteroatom steht, das aus S, N und O ausgewählt wird, oder für eine Leerstelle
steht (d.h. wodurch ein 5-Ring erzeugt wird)
eines oder mehrere
der Kohlenstoffatome der beiden Ringssysteme jeweils unabhängig voneinander
einen Substituenten Ra bzw. Rb aufweist,
der jeweils unabhängig
für Alkyl,
Aryl, Alkylaryl, Alkenyl, Alkinyl, Halogen, CN, OCN, NCO, COOH,
COOR', CONHR', NO2,
OH, OR', NH2, NHR',
NR'R'', SH und SR' steht, wobei R' und R'' unabhängig voneinander
Alkyl, Aryl, Alkylaryl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann, oder
wobei
Ra und Rb zusammen
eine Verbrückung
zwischen den beiden aromatischen Ringsystemen bildet, die 1 bis
3 Atome umfasst, wobei die Atome unabhängig voneinander aus C, S,
N und O ausgewählt
werden und durch eine Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung miteinander
verknüpft
sein können
und ferner einen Substituenten Rc aufweisen
können,
wobei der Substituent Rc die für Ra und Rb, oben angegebene Bedeutung hat,
Y
für eine
Gruppe steht, die unabhängig
voneinander aus CH2, O, S, NH, NR', COO, CONH, CH=CH,
C=C oder Aryl ausgewählt
werden kann,
Za und Zb unabhängig voneinander
jeweils CH3, -CH=CH2,
SH, -S-S-,-S(CO)-CH3, SiCl3,
Si(OR)3, SiR(OR')(OR''), SiR(OR')2,
Si(R'R'')NH2, COOH,
SO3, PO3H, oder
NH2 sein kann,
wobei R' und R'' jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Aryl,
Arylalkyl, Alkenyl oder Alkinyl sein kann,
wobei n, q jeweils
unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
j
und k jeweils unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 6 annehmen können,
p
und m jeweils unabhängig
voneinander einen Wert zwischen 0 und 12 annehmen können,
wobei
die folgenden Verbindungen ausgenommen sind: N,N'-Dimethyl-4,5,9,10-Tetrahydro-2,7-diazapyreniumdiiodid
(in [4] beschrieben);
1,1',2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1',2,-trimethyl-4,4'-bispyridinium (in
[5] und [6] beschrieben);
N,N'-Dimethyl-2,7-diazapyrenium (in [7]
beschrieben);
N-methyl-N'-(p-toloyl)-2,7-diazapyrenium
(in [7] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(p-toloyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat
(in [8] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridiumdiperchlorat
(in [8] beschrieben);
6-(Phenyl)-1,1',2-trimethyl-4,4'-bispyridiumdi-perchlorat (in [8] beschrieben);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6-(2,5-dichloro-3-thienyl)-4,4'-bispyridiumdiperchlorat (in [8] beschrieben).The present invention also relates to new bispyridinium compounds of the general formula (Ib)
where in formula (Ib)
(at least) one group X a or X b can be replaced, each of which stands for a heteroatom selected from S, N and O, or stands for a blank (ie which creates a 5-ring)
one or more of the carbon atoms of the two ring systems each independently has a substituent R a or R b , each of which is independently for alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl, alkynyl, halogen, CN, OCN, NCO, COOH, COOR ', CONHR' , NO 2 , OH, OR ', NH 2 , NHR', NR'R '', SH and SR ', where R' and R '' can independently be alkyl, aryl, alkylaryl, alkenyl or alkynyl, or
where R a and R b together form a bridge between the two aromatic ring systems, which comprises 1 to 3 atoms, the atoms being selected independently of one another from C, S, N and O and linked to one another by a single, double or triple bond and can also have a substituent R c , where the substituent R c has the meaning given above for R a and Rb,
Y represents a group which can be selected independently of one another from CH 2 , O, S, NH, NR ', COO, CONH, CH = CH, C = C or aryl,
Z a and Z b independently of one another each CH 3 , -CH = CH 2 , SH, -SS -, - S (CO) -CH 3 , SiCl 3 , Si (OR) 3 , SiR (OR ') (OR'' ), SiR (OR ') 2 , Si (R'R'') NH 2 , COOH, SO 3 , PO 3 H, or NH 2 ,
where R 'and R''can each independently be alkyl, aryl, arylalkyl, alkenyl or alkynyl,
where n, q can independently assume a value between 0 and 12,
j and k can each independently have a value between 0 and 6,
p and m can each independently assume a value between 0 and 12,
except for the following compounds: N, N'-dimethyl-4,5,9,10-tetrahydro-2,7-diazapyrenium diiodide (described in [4]);
1,1 ', 2,2'-tetramethyl-4,4'-bispyridinium; 1,1 ', 2, -trimethyl-4,4'-bispyridinium (described in [5] and [6]);
N, N'-dimethyl-2,7-diazapyrenium (described in [7]);
N-methyl-N '- (p-toloyl) -2,7-diazapyrenium (described in [7]);
1,1'-dimethyl-2-phenyl-6- (p-toloyl) -4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]);
1,1'-dimethyl-2-phenyl-4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]);
6- (phenyl) -1,1 ', 2-trimethyl-4,4'-bispyridium di-perchlorate (described in [8]);
1,1'-Dimethyl-2-phenyl-6- (2,5-dichloro-3-thienyl) -4,4'-bispyridium diperchlorate (described in [8]).
Dabei sind Verbindungen bevorzugt, bei denen die am Stickstoffatom des jeweiligen Ringes gebundene Kette jeweils nicht mehr als insgesamt als 20 Atome aufweist. Dabei sind wiederum Verbindungen bevorzugt, bei denen insgesamt beide Ketten zusammen eine Gesamtlänge von mehr als 30 Atomen aufweisen. Mit Hilfe der Indices ausgedrückt, bedeutet dies, dass (j·q + p) bzw. (k·n + m) vorzugsweise jeweils unabhängig voneinander einen Wert (ganze Zahl) nicht größer als 20 annehmen sind. Die Summe aus (j·q + p) + (k·n + m) ist dabei vorzugsweise somit nicht größer als 30.Compounds are preferred in which the chain bonded to the nitrogen atom of the respective ring in each case has no more than a total of 20 atoms. Again, connections are ahead moves, in which both chains together have a total length of more than 30 atoms. Expressed with the help of the indices, this means that (j * q + p) or (k * n + m) preferably each independently assume a value (integer) not greater than 20. The sum of (jq + p) + (kn + m) is therefore preferably not greater than 30.
Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von Bispyridinium-Verbindungen der allgemeinen Formel (I)/(Ib) als funktioneller Bestandteil von (elektrischen) Speichereinheiten, insbesondere als funktioneller Bestandteil von Permanentspeichern.The invention further relates to the Use of bispyridinium compounds of the general formula (I) / (Ib) as a functional component of (electrical) storage units, especially as a functional part of permanent storage.
Die Darstellung von Bispyridinium-Verbindungen gemäß Formel (I) bzw. (Ib) erfolgt vorzugsweise stufenweise, indem zuerst die Bispyridimium-Einheit synthetisiert wird und dann die Quarternisierung am Stickstoffatom erfolgt. Dabei lassen sich unsubstituierte Bispyridine in Analogie zu den Biphenylen z.B. mittels der Ullmann-Kopplung (C-C-Verknüpfung von Arylhalogeniden mit Kupfer), oder Wurtz-sche Synthese (stufenweise Umsetzung mit Kupfer, die die Ausbildung unsymmetrischer Verbindungen erlaubt) darstellen, siehe dazu z.B. [9] und die dort angegebenen Zitate. Das unsubstituierte Bispyridin ist kommerziell erhältlich.The representation of bispyridinium compounds according to formula (I) or (Ib) is preferably carried out in stages by first the Bispyridimium unit is synthesized and then the quaternization at the nitrogen atom. Unsubstituted bispyridines can be used in analogy to the biphenyls e.g. using the Ullmann coupling (C-C bond of aryl halides with copper), or Wurtz synthesis (stepwise Implementation with copper, which leads to the formation of asymmetrical connections allowed), see e.g. [9] and those specified there Quotes. The unsubstituted bispyridine is commercially available.
Die Anbindung der N-Substituenten an die Bispyridium-Einheit erfolgt durch einfache Quartärnisierung mit R-X. Für den einfachsten Fall z.B. durch Umsetzung von Bipyridyl mit Reagenzien wie Methyliodid in Benzol (siehe z.B. [10] oder [11]). Dies ergibt dann direkt die symmetrisch N-substituierten Bispyridinium-Verbindungen oder wenn ein geeigneter Rest X verwendet wird, stufenweise auch unsymmetrische Verbindungen (die Wahl von X steuert hierbei die Löslichkeit in geeigneten Lösungsmitteln) und wird gefolgt von Austausch des Gegen-Ions und Substitution des zweiten N-Atoms. Allgemein kann dies wie folgt formuliert werden.The binding of the N-substituents to the bispyridium unit by simple quaternization with R-X. For the simplest case e.g. by reacting bipyridyl with reagents such as methyl iodide in benzene (see e.g. [10] or [11]). This results in then directly the symmetrically N-substituted Bispyridinium compounds or if a suitable radical X is used gradually unbalanced connections (the choice of X controls solubility in suitable solvents) and is followed by exchange of the counter ion and substitution of the second N atom. In general, this can be formulated as follows.
Die Substitution an den Stickstoffatomen, die zu asymetrischen Verbindungen führt, kann z.B. in einer Zweischrittreaktion erfolgen, wie in [12] anhand der Synthese von N-(n-Decyl)-N'-(10-mercaptododecyl)-4,4'-bispyridinium beschrieben (vgl. hierzu auch [13] oder [14] sowie [15]).The substitution on the nitrogen atoms, which leads to asymmetrical connections, e.g. in a two-step reaction take place as described in [12] using the synthesis of N- (n-decyl) -N '- (10-mercaptododecyl) -4,4'-bispyridinium (see also [13] or [14] and [15]).
Die Substitution der Bispyridinium-Einheit durch Ra und Rb, wobei diese sowohl Substituenten mit elektronenspendenden als auch elektronenziehenden Eigenschaften sein können, kann als vorangehende Reaktion wie z.B. in [16], [17] oder [18] beschrieben erfolgen (vgl. insbesondere [16] Schemata 1 und 2; [17] Verbindungen 6). Ausgehend von einer Bispyridinium-Verbindung, die in 2-Position eine Hydroxylgruppe trägt (vgl. R2 in [17], ist es ferner z.B. möglich, durch Umsetzung mit P2S5 unter Ringbildung zu einem -S-S- bzw. -S- verbrückten System (vgl. Definition von Ra und Rb) zu gelangen. Ferner, und insbesondere bei Verwendung von 2,7-Diazaphenanthren als Bispyridinium-Einheit kann die Einführung der Substituenten Ra und Rb analog zu dem in [19] beschriebenen Verfahren durchgeführt werden (siehe dort insbesondere Verbindungen 6 und 7).The substitution of the bispyridinium unit by R a and R b , which can be both substituents with electron-donating and electron-withdrawing properties, can be carried out as a preceding reaction as described, for example, in [16], [17] or [18] (cf. in particular [16] Schemes 1 and 2; [17] Compounds 6). Starting from a bispyridinium compound which bears a hydroxyl group in the 2-position (cf. R2 in [17], it is also possible, for example, to form a -SS- or -S- by reaction with P 2 S 5 with the formation of a ring System (cf. definition of R a and R b ), and, in particular when using 2,7-diazaphenanthrene as the bispyridinium unit, the introduction of the substituents R a and R b can be carried out analogously to the process described in [19] be carried out (see there in particular compounds 6 and 7).
Verbindungen mit (zusätzlichen) Heteroatomen, d.h. einer oder mehreren Gruppen X, können zum Beispiel mittels der in [18] beschriebenen Synthese erhalten werden (vgl. dort Block 4 und 5) .Connections with (additional) Heteroatoms, i.e. one or more groups X, for example can be obtained by means of the synthesis described in [18] (cf. there blocks 4 and 5).
In den Verbindungen nach Formel (I)/(Ib) können die Gruppe X wie auch die Substituenten R zur Beeinflussung und gezielten Steuerung der elektrochemischen Eigenschaften, d.h. insbesondere der Redoxpotentiale, der Bispyridinium-Einheit herangezogen werden. Durch solche Substitutionen kann der Ladungsausgleich bei einem Schaltvorgang in dem Schaltungselement unterstützt werden.In the compounds of the formula (I) / (Ib) can the group X as well as the substituents R to influence and targeted control of the electrochemical properties, i.e. in particular the redox potentials of the bispyridinium unit. With such substitutions, the charge balance in one Switching process in the circuit element are supported.
So lassen sich z.B. durch elektronenreiche Substituenten R, wie z.B. Alkyl oder Arylreste, die einen induktiven, elektronenspendenden Effekt (den sogenannten +I-Effekt) ausüben, die Elektronenabgabe durch die Bispyridinium-Einheit, erleichtern, und dadurch das Reduktionspotential erniedrigen. Gleiches gilt für Substituenten, die freie Elektronenpaare zur Verfügung stellen und die Ausbildung mesomerer Grenzstrukturen ermöglichen, d.h. einen +M-Effekt zeigen. Beispiele für solche Substituenten sind -OH, -OR, -NH2, -NHR, -SR oder Fluor.For example, electron-rich substituents R, such as alkyl or aryl residues, which have an inductive, electron-donating effect (the so-called + I effect), facilitate the electron donation by the bispyridinium unit, and thereby reduce the reduction potential. The same applies to substituents which provide lone pairs and enable the formation of mesomeric boundary structures, ie show a + M effect. Examples of such substituents are -OH, -OR, -NH 2 , -NHR, -SR or fluorine.
Gegenläufige Effekte, d.h. die Erhöhung des Oxidationspotentials lassen sich durch Substituenten mit elektronenziehenden -I und -M Effekten (z.B. -CN, -NO2, -COOH, -SO3H) bzw. mit Substituenten wie Cl, bei denen ein elektronenziehender Effekt einen elektronenspendenden Effekt überwiegt, erzielen.Opposing effects, ie the increase in the oxidation potential, can be achieved by substituents with electron-withdrawing -I and -M effects (eg -CN, -NO 2 , -COOH, -SO 3 H) or with substituents such as Cl, in which an electron-withdrawing effect unites predominate electron donating effect.
Diese Effekte sollten ableitbar sein und im guten Einklang liegen z.B. mit Trends und Erkenntnissen aus der Photoelektronenspektroskopie (siehe z.B. [20]). Daraus ist zum Beispiel für substituierte Benzole das Ionisierungspotential bekannt, was mit der Energie des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) korreliert. +I und +M-Substituenten haben energiereichere HOMOs als Benzol, d.h. niedrigere Ionisierungspotentiale (entsprechend einer leichteren Oxidierbarkeit), im Falle von -M, bzw. -I-Substituenten ist der Effekt umgekehrt. Dieser Einfluss auf die Ionisierungspotentiale ist zwar nicht ganz so stark, aber auch deutlich vorhanden. Diese Beziehung sollte vor allem gelten, weil die elektrophile aromatische Substitution mit dem reaktionsbeschleunigenden Einfluss von +M/+I-Substituenten über eine Primärreaktion des aromatischen Elektronensystems mit E+ verläuft, d.h. also einer Oxidation des Aromaten entspricht.These effects should be derivable and be in good harmony, for example, with trends and findings from photoelectron spectroscopy (see eg [20]). For example, the ionization potential for substituted benzenes is known, which correlates with the energy of the highest occupied molecular orbital (HOMO). + I and + M substituents have higher-energy HOMOs than benzene, ie lower ionization potentials (corresponding to easier oxidizability), in the case of -M or -I substituents the effect is reversed. This influence on the ionization potential is not quite as strong, but it is also clearly present. This relationship should apply above all because the electrophilic aromatic substitution with the reaction-accelerating influence of + M / + I substituents takes place via a primary reaction of the aromatic electron system with E + , ie it corresponds to an oxidation of the aromatic.
Durch den Substituenten Y können ebenfalls die elektrochemischen Eigenschaften der hier verwendeten Bispyridinium-Verbindungen in der für die Substituenten R und X vorstehend beschriebenen Weise beeinflusst werden.Through the substituent Y can also the electrochemical properties of the bispyridinium compounds used here in the for affects the substituents R and X described above become.
Eine bevorzugte Klasse von Bispyridinium-Verbindungen sind Moleküle mit langkettigen Alkylresten. Diese Verbindungen haben den Vorteil, dass sie die Ausbildung selbstorganisierender Schichten der redox-aktiven Moleküle auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials ermöglichen. Bei solchen Verbindungen nehmen j und k in Formel (I) die Werte 0 an.A preferred class of bispyridinium compounds are molecules with long chain alkyl residues. These connections have the advantage that they are training self-organizing layers of redox-active molecules on the surface of the electrically conductive Enable material. For such compounds, j and k in formula (I) take the values 0 on.
In einer Ausführungsgestaltung sind in der vorliegenden Erfindungen Moleküle bevorzugt, bei denen die am Pyridin- Stickstoffatom befindlichen (Alkyl)-Ketten eine Länge von mit 6 bis 12 Atomen aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, kürzere oder längere Ketten zu verwenden, solange die Redoxeigenschaften der Bispyridinium-Moleküle und die Funktionalität des Schaltungselements dadurch nicht beeinträchtigt wird.In one embodiment, the present inventions molecules preferred, in which the (alkyl) chains located on the pyridine nitrogen atom a length from 6 to 12 atoms. However, it is also possible to use shorter or shorter ones longer Use chains as long as the redox properties of the bispyridinium molecules and the functionality of the circuit element is not affected.
Der Buchstabe Z in Formel (I) steht für eine Kopf- oder Ankergruppe, mittels deren die Bispyridinium-Verbindungen auf den elektrisch leitfähigen Materialien aufgebracht werden. Diese Immobilisierung kann durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen erfolgen.The letter Z in formula (I) stands for one Head or anchor group, by means of which the bispyridinium compounds on the electrically conductive Materials are applied. This immobilization can be done by physical or chemical interactions take place.
Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe oder ionische (elektrostatische) Wechselwirkungen und kovalente Bindungen ein. Beispielsweise kann bei Verwendung von Thiolgruppen als Substituent und Gold als leitfähigem Material, das auf dem Substratmaterial aufgebracht ist, die Immobilisierung durch die sogenannte Gold-Schwefel-Kopplung erfolgen.These interactions include hydrophobic ones or ionic (electrostatic) interactions and covalent Bindings. For example, when using thiol groups as a substituent and gold as a conductive material based on the Substrate material is applied, the immobilization by the so-called gold-sulfur coupling take place.
Bei Verwendung von Gruppen wie z.B. SH, SiCl3 oder NH2, COOH kann eine direkte kovalente Verknüpfung der Bispyridinium-Verbindung mit dem elektrisch leitfähigen Material erfolgen. Hierbei ist es auch möglich, Disulfid-Verbindungen (RSSR', wobei R=R'=Bipyridylhaltiges Molekül, bzw. R= Bipyridylhaltiges Molekül, und R' einfach Methyl oder kurzes Alkyl) zu verwenden, die ebenfalls Monoschichten auf Gold bilden, dies jedoch über nicht kovalente Wechselwirkungen bewerkstelligen. Möglich ist es auch, z.B. wenn freie Hydroxyl-Gruppen, auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet werden können (z.B, bei Verwendung von dotiertem Silizium), Alkoxysilane für die Anbindung zu nehmen, z.B. -SiRn(OR')3–n mit R und R' Alkyl, R' typischerweise Methyl oder Ethyl, n = 0–2).If groups such as SH, SiCl 3 or NH 2 , COOH are used, the bispyridinium compound can be directly covalently linked to the electrically conductive material. It is also possible to use disulfide compounds (RSSR ', where R = R' = bipyridyl-containing molecule, or R = bipyridyl-containing molecule, and R 'simply methyl or short alkyl), which also form monolayers on gold, however manage through non-covalent interactions. It is also possible, for example, if free hydroxyl groups can be formed on the surface of the electrically conductive material (for example, when using doped silicon), to use alkoxysilanes for the bond, for example -SiR n (OR ') 3 – n with R and R 'alkyl, R' typically methyl or ethyl, n = 0-2).
Die kovalente Verknüpfung kann dabei über jede geeignete Verknüpfungschemie erfolgen. Möglich ist jedoch auch, einen kurzen separaten Linker zur Immobilisierung der redox-aktiven Verbindungen zu verwenden.The covalent link can doing about any suitable linking chemistry respectively. Possible is, however, also a short separate linker for immobilization of the redox-active compounds.
Die Wahl der jeweiligen Kopfgruppe kann auch von der Art des elektrisch leitfähigen Materials beeinflusst werden. So eignen sich zum Beispiel im Falle von Gold als leitfähigem Material insbesondere Thiole als Ankergruppen; bei Verwendung von Palladium kommen z.B. Cyanide und Isocyanide als bevorzugte Kopfgruppen in Betracht und für Silizium-Oberflächen sind Silylchloride, Silylamine Si(R'R'')NH2 sowie wie oben Alkoxysilane, -SiR'n(OR'')3–n mit R' und R'' = Alkyl, (typischerweise Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl etc., n = vorzugsweise 0–5, besonders bevorzugt n = 0–2) gut geeignete Ankergruppen für die Immobilisierung.The choice of the respective head group can also be influenced by the type of electrically conductive material. For example, in the case of gold as the conductive material, thiols are particularly suitable as anchor groups; when using palladium, for example, cyanides and isocyanides are preferred head groups and for silicon surfaces are silyl chlorides, silylamines Si (R'R '') NH 2 and, as above, alkoxysilanes, -SiR ' n (OR'') 3 – n with R 'and R''= alkyl, (typically methyl, ethyl, propyl, butyl etc., n = preferably 0-5, particularly preferably n = 0-2) well-suited anchor groups for immobilization.
Eine andere für die Immobilisierung generell gut geeignete und daher ebenfalls bevorzugte Kopfgruppe ist -S(CO)-CH3.Another head group that is generally well suited and therefore also preferred for immobilization is -S (CO) -CH 3 .
In einer Ausführungsform des Schaltungselements ist eine kovalente Verknüpfung der redox-aktiven Verbindungen an das erste und/oder das zweite leitfähigen Material bevorzugt, weil dadurch die Orientierung der Moleküle und der (elektrische) Kontakt zu den leitfähigen Materialien gewährleistet werden kann.In one embodiment of the circuit element is a covalent link of the redox-active compounds to the first and / or the second conductive Material preferred, because it means the orientation of the molecules and the (Electrical) contact to the conductive materials guaranteed can be.
Unter einem elektrisch inerten Molekül wird hier eine chemische Verbindung verstanden, die als elektrischer Isolator dient und vorzugsweise auch chemisch inert ist, insbesondere oxidations- oder reduktionsbeständig ist, und somit den Schaltungsvorgang, der durch die redox-aktiven Bispyridinium-Moleküle bewirkt wird, nicht stört. Wegen ihrer Eigenschaft als elektrischer Isolator zu dienen, bilden die Schichten aus den inerten Molekülen, die man folglich auch als Isolatormoleküle bezeichnen kann, eine isolierende Matrix, um die einzelnen aktiven Bereiche (Positionen) des Schaltungselements voneinander elektrisch zu trennen.Below is an electrically inert molecule understood a chemical compound that acts as an electrical insulator serves and is preferably also chemically inert, in particular oxidation or reduction resistant is, and thus the switching process by the redox-active Bispyridinium molecules is not disturbed. Because of their property to serve as an electrical insulator, form the layers of the inert molecules, which consequently also as isolator molecules can denote an isolating matrix to the individual active Areas (positions) of the circuit element from each other electrically to separate.
Prinzipiell kann jede Art von Molekülen, die die eben genannten Anforderungen erfüllen, in dem Schaltungselement dir Erfindung eingesetzt werden. Dabei können auch verschiedene Arten von inerten Molekülen verwendet werden, um eine isolierende Matrix zu bilden.In principle, any kind of molecules that meet the requirements just mentioned in the circuit element you invention are used. Different types can also be used used by inert molecules to form an insulating matrix.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Schaltungselements sind die elektrisch inerten Moleküle Verbindungen mit einem langkettigen (gesättigten) Alkylrest.In a preferred embodiment of the circuit element are the electrically inert molecules compounds with a long chain (saturated) Alkyl.
Vorzugsweise weisen die elektrischen Moleküle eine Kopfgruppe auf, mittels derer sie an die erste Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial gebunden werden können. Dabei ist eine Immobilisierung über nicht-kovalente oder kovalente Bindungen möglich. Es ist möglich, die inerten Moleküle auch an der Schicht aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material zu immobilisieren.Preferably, the electrical molecules a head group, by means of which they go out to the first layer can be bound to the electrically insulating substrate material. there is an immobilization over non-covalent or covalent bonds possible. It is possible that inert molecules also on the layer made of the second electrically conductive material to immobilize.
Vorzugsweise sind die inerten Matrix-bildenden
Moleküle
Alkylsilylverbindungen der allgemeinen Formel
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Länge der Alkylketten der elektrisch inerten Moleküle von der jeweils gewählten Bispyridinium-Verbindungen abhängt. Es ist günstig, wenn die Länge der Moleküle annähernd gleich ist, um so annähernd gleiche Dicken der monomolekularen Schichten zu erzielen. Die Anzahl der Alkyleinheiten in der isolierenden Schwanzgruppe der inerten Isolator-Moleküle kann anhand der bekannten Bindungslängen abgeschätzt werden. Allerdings ist auch eine rein empirische Vorgehensweise zur Ermittlung der am besten geeigneten Moleküllänge möglich.At this point it should be noted that the length of the alkyl chains of the electrically inert molecules of the respectively selected bispyridinium compounds depends. Its cheap, if the length of the molecules nearly is the same, so close to achieve equal thicknesses of the monomolecular layers. The number of the alkyl units in the isolating tail group of the inert Insulator molecules can be estimated from the known bond lengths. However, a purely empirical procedure for determining the most suitable molecular length possible.
Folglich ist die Verwendung von elektrisch inerten Moleküle mit einem langkettigen Alkylrest, insbesondere von Alklysilylverbindungen der Formel (II) in Schaltungselementen ein weiterer Gegenstand der Erfindung.Hence the use of electrical inert molecules with a long-chain alkyl radical, especially of alkylsilyl compounds of the formula (II) in circuit elements is another subject of Invention.
In einer Ausgestaltung ist das hier offenbarte Schaltungselement ein Element, bei dem eine Vielzahl diskreter Bereiche aus dem ersten elektrisch leitenden Material in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es zum Beispiel, das Schaltungselement der Erfindung als einen elektrischen Speicher mit einer Vielzahl von Speicherzellen auszubilden.In one embodiment, this is here circuit element disclosed an element in which a plurality of discrete Areas of the first electrically conductive material in the substrate material is embedded and / or applied to the substrate material. This Design enables it, for example, the circuit element of the invention as an electrical Form memory with a plurality of memory cells.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich möglich ist, sowohl unterschiedliche Bispyridinium-Verbindungen auf einem einzelnen diskreten Bereich des leitfähigen ersten Materials aufzubringen. Ferner ist es auch möglich, verschiedene dieser Bereiche mit verschiedenen redox-aktiven Verbindungen zu versehen, um dadurch die Eigenschaften des Schaltungselement an einen bestimmten Verwendungszweck anzupassen.In this context, be on it pointed out that it goes without saying possible is, both different bispyridinium compounds on one to apply a single discrete area of the conductive first material. It is also possible different of these areas with different redox-active compounds to thereby provide the properties of the circuit element adapt to a specific purpose.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Schaltungselements ist das erste elektrisch leitfähige Material Gold, Silber Palladium, Platin oder Silizium. Der diskrete Bereich, den das erste leitfähige Material einnimmt, kann als Elektrode in dem Substratmaterial ausgestaltet sein.In a preferred embodiment of the circuit element is the first electrically conductive material Gold, silver, palladium, platinum or silicon. The discrete area the first conductive Ingesting material can be configured as an electrode in the substrate material his.
Bei einer anderen Ausgestaltung des hier offenbarten Schaltungselements weist die Schicht aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material vorzugsweise Titan und/oder Aluminium auf. Die zweite Schicht kann ebenfalls als Elektrode ausgestaltet sein. Zudem sind als weitere Materialien zur Ausbildung der zweiten Elektrode, die Materialien der ersten Elektrode geeignet.In another embodiment of the Circuit element disclosed here has the layer of the second electrically conductive Material preferably titanium and / or aluminum. The second layer can also be designed as an electrode. In addition, as others Materials for forming the second electrode, the materials suitable for the first electrode.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das hier beschriebene Schaltungselement zwischen zwei Elektroden angeordnet. Diese Elektroden können das erste und das zweite elektrisch leitende Material sein. In dieser Ausgestaltung, d.h. bei Anordnung zwischen zwei Elektroden, stellt das Schaltungselement der vorliegenden Erfindung einen veränderbaren Widerstand und folglich ein Speicherelement dar.In a preferred embodiment is the circuit element described here between two electrodes arranged. These electrodes can the first and the second electrically conductive material. In this Design, i.e. when arranged between two electrodes the circuit element of the present invention is a changeable Resistance and therefore a storage element.
In einer Weiterbildung, bei der eine Vielzahl von redoxaktiven Bispyridiniumschichten verwendet wird, bildet eine Anordnung derartiger Speicherelemente eine Speichermatrix, d.h. sie kann als ein elektrischer Speicher verwendet werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Verwendung eines molekularen Zweipols als Speicherelement, wodurch gegenüber konventionellen Speicherelementen wie RAMs der Verdrahtungsaufwand reduziert und die Packungsdichte erhöht wird. Somit bietet das Speicherelement der Erfindung den Zugang zu einem hochintegrierbaren elektrischen Speicher. Das Speicherelement ist vorzugsweise ein Permanentspeicherelement und der auf einer Vielzahl von Speicherelementen basierende elektrische Speicher ist vorzugsweise ein Permanentspeicher. Ein solcher Permanentspeicher kann z.B. als Speicher für graphische Information dienen, beispielsweise als Speicher für „on-chip" Videofilme.In a training course where one Variety of redox active bispyridinium layers is used forms an arrangement of such memory elements, a memory matrix, i.e. it can be used as an electrical storage. On The advantage of this configuration is the use of a molecular one Bipolar as a storage element, which makes it different from conventional storage elements how RAMs reduce the wiring effort and the packing density elevated becomes. Thus, the memory element of the invention provides access to a highly integrable electrical storage. The storage element is preferably a permanent storage element and that on a A plurality of storage elements based electrical storage is preferred a permanent storage. Such permanent storage can e.g. as Memory for graphic information is used, for example as a memory for "on-chip" video films.
Bei dem Verfahren der Erfindung zur Herstellung eines Schaltungselements wird zunächst eine erste Schicht aus einem isolierenden Substratmaterial vorgelegt und ein erstes elektrisch leitfähigen Material an mindestens einer diskreten Position in das Substratmaterial eingebettet und/oder auf dem Substratmaterial aufgebracht.In the method of the invention for Manufacturing a circuit element is first a first layer submitted an insulating substrate material and a first electrical conductive Material in at least one discrete position in the substrate material embedded and / or applied to the substrate material.
Danach werden redoxaktive Bispyridinium-Moleküle als monomolekulare Schicht auf dem mindestens einen diskreten Bereich aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material immobilisiert. Daraufhin werden elektrisch inerte Moleküle auf der ersten Schicht aus dem elektrisch isolierenden Substratmaterial immobilisiert. Dadurch bilden die elektrisch inerten Moleküle eine Matrix aus, die den mindestens einen Bereich mit der monomolekularen Schicht aus Bispyridinium-Molekülen umgibt.Thereafter, redox-active bispyridinium molecules as a monomolecular layer on the at least immobilized a discrete area made of the first electrically conductive material. Thereupon, electrically inert molecules are immobilized on the first layer made of the electrically insulating substrate material. As a result, the electrically inert molecules form a matrix which surrounds the at least one region with the monomolecular layer of bispyridinium molecules.
Dann wird bei dem Verfahren eine zweite Schicht mit einem zweiten elektrisch leitfähigen Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgebracht. Dadurch treten die Bispyridinium-Moleküle der monomolekularen Schicht mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Material der zweiten Schicht in Kontakt. Die inerten matrixbildenden Isolatormoleküle müssen nicht auf dem zweiten leitfähigen Material immobilisiert werden.Then in the process a second layer with a second electrically conductive material applied to the layer of the electrically inert molecules and the bispyridinium molecules. This causes the bispyridinium molecules to enter the monomolecular Layer with the second electrically conductive material of the second Layer in contact. The inert matrix-forming isolator molecules do not have to on the second conductive Material to be immobilized.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bispyridinium-Verbindungen jedoch auch auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Material immobilisiert, um den elektrischen Kontakt mit diesem Material zu gewährleisten. Diese Immobilisierung kann aufgrund der identischen Kopfgruppe Z in derselben Weise wie die Immobilisierung auf dem ersten leitfähigen Material erfolgen.In a preferred embodiment however, the bispyridinium compounds are also on the second electrically conductive Material immobilized to make electrical contact with this material to ensure. This immobilization can be due to the identical head group Z in the same way as the immobilization on the first conductive material respectively.
Bei dem Verfahren werden vorzugsweise als Bispyridinium-Moleküle Verbindungen der allgemeinen Formel (I) verwendet. Als elektrisch inerte Moleküle werden vorzugsweise Verbindungen mit einem langkettigen Alkylrest, insbesondere Verbindungen gemäß Formel (II), verwendet.The method is preferred as bispyridinium molecules compounds of the general formula (I) used. As electrically inert molecules preferably compounds with a long-chain alkyl radical, in particular Compounds according to formula (II) used.
Als erstes leitfähiges Material wird vorzugsweise Gold verwendet. Ferner wird das erste elektrische leitfähige Material bevorzugt in einer regelmäßigen Anordnung in das Substratmaterial eingebettet und/oder aufgebracht.The first conductive material is preferred Gold used. Furthermore, the first electrically conductive material preferably in a regular arrangement embedded and / or applied in the substrate material.
Das Aufbringen der Schicht aus dem zweiten elektrischen Material erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das zweite elektrische Material auf die Schicht aus den elektrisch inerten Molekülen und den Bispyridinium-Molekülen aufgedampft wird.Applying the layer from the second electrical material is preferably done in that the second electrical material on the layer of the electrically inert molecules and the bispyridinium molecules is evaporated.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird als zweites elektrisch leitendes Material Titan und/oder Aluminium verwendet.In a further embodiment of the The method is titanium and / or the second electrically conductive material Aluminum used.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Das zweifach positiv geladenes Kation
Oberhalb dieses vorgegebenen Reduktionspotentials
stellt das Kation
Beim Anlegen von kleinen positiven
oder negativen Potentialen
Anschließend wird auf den Bereichen
Danach werden elektrisch inerte Moleküle
Im nächsten Schritt erfolgt die
Ausbildung der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht
Auf diese Weise wird ein Schaltungselement mit einer Mehrzahl von molekularen Widerständen ausgebildet, das sich z.B. als Bestandteil einer Speicherzelle einsetzen lässt.In this way, a circuit element formed with a plurality of molecular resistors that are e.g. can be used as part of a memory cell.
Der Permanentspeicher
Auf dem Substratmaterial
Die beiden Molekülschichten stehen im Kontakt
mit einer zweiten Schicht
Der Löschvorgang, der ebenfalls Teil des Speichern von Information ist, geht folgendermaßen vor sich.The deletion process, which is also part of information storage does the following yourself.
An eine ausgewählte Schicht der redox-aktiven
Bispyridinium-Verbindungen
In diesem Zusammenhang sei darauf
hingewiesen, dass bei dem Permanentspeicher
Der Lesevorgang ist in
Im Fall von Molekülschichten, bei denen die Bispyridinium-Moleküle als Dikation vorliegen, wird dabei ein kleiner oder gar kein Strom gemessen. Bei Schichten, bei denen die Bispyridinium-Einheiten der Moleküle als einfach positiv geladenes Radikalkation vorliegen, wird ein (größerer) Stromfluss gemessen.In the case of molecular layers in which the bispyridinium molecules as dication little or no current is measured. For layers in which the bispyridinium units of the molecules are considered simple positively charged radical cation, a (larger) current flow measured.
Der Permanentspeicher
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- einfach positiv geladenes Radikalkationsimple positively charged radical cation
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